Servoventil und Einspritzventil
[0001] Die Erfindung betrifft ein Servoventil und ein Einspritzventil, das geeignet ist
zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff.
[0002] Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich,
diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden.
Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Emissionen
mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Die Bildung
von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem
jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung
zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle
von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar.
[0003] Ferner sind sogenannte Registerdüsen-Einspritzventile bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen
und diesen zugeordneten ersten und zweiten Düsennadeln, mittels derer ein stufenweises
Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Einspritzdüsen-Kreise möglich ist. So ist aus
der EP 0 978 649 A2 ein derartiges Ventil bekannt. Das Ventil hat ein Gehäuse, in
dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein Düsenkörper angeordnet
sind. Der Düsenkörper hat eine erste Reihe von Einspritzlöchern und axial beabstandet
dazu eine zweite Reihe von Einspritzlöchern. In einer Ausnehmung des Düsenkörpers
ist eine Düsennadel geführt, die in ihrer Schließposition den Kraftstofffluss sowohl
durch die erste als auch die zweite Reihe von Einspritzlöchern unterbindet und in
ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss durch die erste Reihe von Einspritzlöchern
freigibt.
[0004] Die Düsennadel wirkt über einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper ein,
der eine innere Düsennadel bildet. Die innere Düsennadel verhindert in ihrer Schließposition
einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt in den
sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern
frei. Der Piezo-Aktuator wirkt über ein Servoventil auf die Düsennadel ein. Das Servoventil
umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange, ein Schließglied, eine Steuerkammer
und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktuators
wird über die Schließstange das Schließglied von seinem Dichtsitz weggedrückt. Dies
hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch das damit verbundene
Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder bewegt sich die Düsennadel von ihrer
Schließposition hin zu ihrer Offenposition. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst
die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer
dann über den Mitnehmermechanismus die innere Düsennadel von ihrer Schließposition
hin in ihre Offenposition bewegt wird und somit auch die zweite Reihe der Einspritzlöcher
freigegeben wird. Die erste Reihe der Einspritzlöcher ist so ausgebildet, dass ihr
Querschnitt deutlich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der zweiten
Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch die erste Reihe von Einspritzlöchern
in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich feiner zerstäubt
wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine von Vorteil,
in dem eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt wird und durch den geringeren Durchmesser
der Einspritzlöcher dann kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung
verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten Reihe von Einspritzlöchern
kann dann im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet werden, dass eine
ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum des Zylinders zugemessen
wird.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach ist
und einfach ansteuerbar sein kann.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0007] Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch ein Servoventil
mit einem Ventilgehäuse, in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse
(oben einfügen) kann einstückig oder auch mehrstückig ausgebildet sein. Es kann insbesondere
durch eine Ventilplatte und gegebenenfalls eine Zwischenplatte gebildet sein.
[0008] Ferner hat das Servoventil einen ersten Ventilkörper, der in der Ausnehmung des Ventilgehäuses
angeordnet ist, sich in eine Ausnehmung eines zweiten Ventilkörpers hinein erstreckt
und der einen Schließkörper hat. Der Schließkörper liegt in einer Schließstellung
des ersten Ventilkörpers dichtend an einem ersten Sitzbereich an, der in der Wandung
der Ausnehmung des Ventilgehäuses ausgebildet ist. Außerhalb der Schließstellung gibt
der Schließkörper einen Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich und dem Schließkörper
des ersten Ventilkörpers frei. Der erste Ventilkörper ist so ausgebildet, dass Fluid
durch die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers hin zu dem Bereich des ersten Sitzbereichs
strömen kann. Ferner umfasst das Servoventil einen zweiten Ventilkörper, der in der
Ausnehmung des Ventilgehäuses angeordnet ist und der einen Schließkörper hat, der
in einer Schließstellung des zweiten Ventilkörpers dichtend an einem zweiten Sitzbereich
anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung des Ventilgehäuses ausgebildet ist, und
der außerhalb der Schließstellung einen Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich und
dem Schließkörper freigibt. Ferner ist eine Dichthülse vorgesehen, die so ausgebildet
und angeordnet ist, dass sie in der Schließstellung des zweiten Ventilkörpers einen
freien Raum, der durch sie umschlossen wird und der mit der Ausnehmung des zweiten
Ventilkörpers hydraulisch gekoppelt ist, von einem Bereich der Ausnehmung des Ventilgehäuses
außerhalb ihres radialen Umfangs hydraulisch entkoppelt.
[0009] Das erfindungsgemäße Servoventil hat den Vorteil, dass ein Sitzdurchmesser des zweiten
Schließkörpers im wesentlichen unabhängig von dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers
des ersten Ventilkörpers gewählt werden kann. Unter dem jeweiligen Sitzdurchmesser
ist derjenige Durchmesser des jeweiligen Schließkörpers an der Stelle zu verstehen,
an der der jeweilige Schließkörper in der Schließstellung des jeweiligen Ventilkörpers
den jeweiligen Sitzbereich des Ventilkörpers kontaktiert. Die Kraft, die notwendig
ist, um den jeweiligen Ventilkörper von seiner Schließstellung heraus zu bewegen hängt
ab von dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers des jeweiligen Ventilkörpers. So kann
durch geeignetes Dimensionieren des Sitzdurchmessers des Schließkörpers des zweiten
Ventilkörpers gewährleistet werden, dass lediglich geringe Kräfte zum Betätigen des
zweiten Ventilkörpers aus seiner Schließstellung heraus erforderlich sind. Dies ist
insbesondere ein gewichtiger Vorteil, wenn der erste und der zweite Ventilkörper nahezu
gleichzeitig aus ihrer jeweiligen Schließstellung heraus bewegt werden sollen.
[0010] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Servoventils ist, dass die ersten und
zweiten Sitzbereiche einfach eine hohe Steifigkeit aufweisen können.
[0011] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist die Dichthülse in der Ausnehmung
des Ventilgehäuses geführt und der zweite Ventilkörper ist in der Dichthülse geführt.
Auf diese Weise kann der zweite Ventilkörper kompakt ausgebildet sein.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist der erste Ventilkörper
in der Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers geführt. Auf diese Weise ist insgesamt
eine besonders kompakte Ausbildung des Servoventils möglich. Wenn dann auch noch der
zweite Ventilkörper in der Dichthülse geführt ist können diese jeweiligen Führungen
axial überlappend ausgebildet sein und so eine besonders kompakte Ausbildung des Servoventils
erreicht werden.
[0013] Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Feder vorgesehen ist, die sich einerseits auf
einem Kragen des zweiten Ventilkörpers und andererseits auf einer Auflagefläche der
Dichthülse abstützt und so einerseits auf den zweiten Ventilkörper eine Kraft in Richtung
seiner Schließstellung ausübt und andererseits auf die Dichthülse eine Kraft ausübt,
die in Richtung einer Dichtkante der Dichthülse gerichtet ist. Auf diese Weise hat
die Feder vorteilhaft somit eine Doppelfunktion.
[0014] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils sind der erste und
der zweite Ventilkörper so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass der zweite
Ventilkörper mittels des ersten Ventilkörpers aus seiner Schließstellung heraus bewegbar
ist. Auf diese Weise kann das Servoventil besonders einfach ausgebildet sein und es
muss ihm lediglich ein Stellantrieb zugeordnet sein.
[0015] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der erste Ventilkörper einen Bund
hat, der in der Schließstellung des ersten Ventilkörpers mit einem vorgegebenen Spiel
beabstandet ist zu einer Kontaktfläche des zweiten Ventilkörpers. Bei geeigneter Dimensionierung
des Spiels kann so besonders einfach der erste Ventilkörper unabhängig von dem zweiten
Ventilkörper aus seiner Schließstellung gebracht werden und der zweite Ventilkörper
bei sich außerhalb der Schließstellung befindlichem ersten Ventilkörper auch aus seiner
Schließstellung heraus bewegt werden mittels eines einzigen Stellantriebs, der vorgesehen
sein kann, um auf den ersten Ventilkörper einzuwirken.
[0016] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils ist eine weitere Feder
vorgesehen, die sich einerseits auf einem Federteller des ersten Ventilkörpers und
andererseits auf einem Federauflagebereich der Dichthülse abstützt und so einerseits
auf den zweiten Ventilkörper eine Kraft in Richtung seiner Schließstellung ausübt
und andererseits auf die Dichthülse eine Kraft ausübt, die in Richtung einer Dichtkante
der Dichthülse gerichtet ist. So hat die weitere Feder eine Doppelfunktion. Der Federteller
kann auch nicht einstückig mit dem ersten Ventilkörper ausgebildet sein. Er ist jedoch
mechanisch gekoppelt mit dem ersten Ventilkörper.
[0017] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils hat der erste Ventilkörper
einen Zapfen der sich in die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers hinein erstreckt
und der entlang seines Umfangs mit mindestens einer Eintiefung versehen ist. So kann
einfach der Durchfluss von Fluid durch die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers gewährleistet
werden. Ferner kann aber ein freies Volumen innerhalb der Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers
gering gehalten werden und der erste Ventilkörper kann in den Bereich des Zapfens
geführt sein. Die Eintiefung kann so zum Beispiel sehnenförmig ausgebildet sein, was
fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist durch einen Fräsvorgang. Der
Durchfluss von Fluid durch die Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers kann auch durch
eine Bohrung in dem ersten Ventilkörper gewährleistet werden, was fertigungstechnisch
jedoch gegebenenfalls einen höheren Aufwand verursacht.
[0018] Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Körper der eine Ausnehmung hat, eine äußere Düsennadel, die in der ersten
Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung hat und die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten frei
gibt. Das Einspritzventil hat ferner eine innere Düsennadel, die in der Ausnehmung
der äußeren Düsennadel angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss
durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und diesen ansonsten freigibt. Ferner
umfasst das Einspritzventil das Servoventil. Das Servoventil, der Körper und die innere
und die äußere Düsennadel sind so ausgebildet, dass abhängig von der Stellung des
ersten Ventilkörpers die Position der inneren Düsennadel einstellbar ist und dass
abhängig von der Stellung des zweiten Ventilkörpers die Position der äußeren Düsennadel
einstellbar ist.
[0019] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Einspritzventil mit einem Servoventil
- Figur 2
- eine Vergrößerung des Teilbereichs des Einspritzventils gemäß Figur 1 in dem Bereich,
in dem das Servoventil angeordnet ist,
- Figur 3
- eine weitere Vergrößerung eines weiteren Teilbereichs des Teilbereichs gemäß Figur
2 des Einspritzventils gemäß Figur 1 und
- Figur 4
- Teile des Servoventils in einer alternativen Ausführungsform.
[0020] Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren- übergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0021] Ein Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung des Injektorgehäuses
1 ist ein Stellantrieb angeordnet, der bevorzugt ein Piezo-Aktuator 4 ist. Der Antrieb
kann jedoch auch ein beliebiger anderer geeigneter Stellantrieb sein, wie beispielsweise
ein elektromagnetischer Stellantrieb. Ferner ist in dem Injektorgehäuse 1 ein Leckageraum
14 ausgebildet.
[0022] Eine Düsenbaugruppe des Einspritzventils umfasst eine Ventilplatte 16, eine Zwischenplatte
18, einen Nadelführungskörper 20 und einen Düsenkörper 22. Die Düsenbaugruppe ist
mittels einer Düsenspannmutter 23 mit dem Injektorgehäuse 1 mechanisch gekoppelt.
Ein Körper kann die Düsenbaugruppe, Teile der Düsenbaugruppe und/oder das Injektorgehäuse
1 und/oder die Düsenspannmutter 23 umfassen.
[0023] Der Nadelführungskörper 20 hat eine Ausnehmung 24, die sich axial in einer Ausnehmung
26 des Düsenkörpers 22 fortsetzt. Eine äußere Düsennadel 27 ist in der Ausnehmung
24 des Nadelführungskörpers 20 und der Ausnehmung 26 des Düsenkörpers 22 angeordnet.
Die äußere Düsennadel 27 hat eine sie in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung
28, in der eine innere Düsennadel 29 angeordnet ist. Die innere und äußere Düsennadel
27, 29 sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine erste Düsenfeder
30 vorgesehen, welche eine Kraft auf die äußere Düsennadel 27 ausübt in einer Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 und die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die
äußere Düsennadel 27 in eine Schließposition drückt, in der sie einen Fluidfluss durch
ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet. Befindet sich die äußere Düsennadel außerhalb
ihrer Schließposition, so gibt sie den Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 34
frei.
[0024] Ferner ist eine zweite Düsenfeder 32 (Figur 2) vorgesehen, welche eine Kraft auf
die innere Düsennadel 29 ausübt in einer Schließrichtung der inneren Düsennadel 29
und die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die innere Düsennadel 29 in eine
Schließposition drückt, in der sie einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch
36 unterbindet. Befindet sich die innere Düsennadel außerhalb ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das zweite Einspritzloch 36 frei.
[0025] Die zweite Düsenfeder ist in der Ausnehmung 28 der äußeren Düsennadel 27 angeordnet.
Ferner ist dort eine Hülse 40 angeordnet, die durch die zweite Düsenfeder 32 gegen
die Zwischenplatte 18 gedrückt wird. Die Hülse 40 trennt so einen ersten Steuerraum
48 ab, der an die Kontaktfläche 46 der inneren Düsennadel 29 angrenzt, von einem zweiten
Steuerraum 50, der angrenzt an eine Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 und
der eine Ausnehmung 24 der Zwischenplatte 18 umfasst.
[0026] Die Position der inneren Düsennadel 29 wird bestimmt durch eine Kräftebilanz aus
der durch die zweite Düsenfeder 32 auf die innere Düsennadel 29 einwirkende Kraft,
die durch den Druck in dem ersten Steuerraum 48 auf die innere Düsennadel 29 über
die Kontaktfläche 46 einwirkende Kraft und einer Kraft, die hervorgerufen durch den
Druck des Fluids über einen Hochdruckabsatz 52 der inneren Düsennadel 29 auf diese
entgegen der Schließrichtung einwirkt.
[0027] Die Position der äußeren Düsennadel 27 hängt ab von der Kräftebilanz der Kraft, die
durch die erste Düsenfeder 30 hervorgerufen wird, den in dem zweiten Steuerraum 50
herrschenden Druck, der über die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 eine Kraft
einkoppelt, die schließend auf die äußere Düsennadel 27 wirkt, und einer Kraft, die
durch den Fluiddruck in einem Bereich eines Hochdruckabsatzes 56 der äußeren Düsennadel
entgegengesetzt der Schließrichtung der äußeren Düsennadel 27 wirkt. Das jeweilige
freie Volumen im Bereich der Hochdruckabsätze 56, 52 ist jeweils hydraulisch gekoppelt
mit einer Hochdruckbohrung 58 des Einspritzventils.
[0028] Ein Servoventil umfasst ein Ventilgehäuse, das je nach Ausführungsform die Ventilplatte
und gegebenenfalls die Zwischenplatte 18 umfasst. Das Ventilgehäuse kann alternativ
auch einstückig oder mehr als zweistückig ausgebildet sein. In der Ventilplatte 16
ist eine Ausnehmung 62 ausgebildet. Ein erster Ventilkörper 64 (Figur 3) ist in der
Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 angeordnet. Er hat einen Schließkörper 68, der in
einer Schließstellung des ersten Ventilkörpers 64 dichtend an einem ersten Sitzbereich
66 anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 ausgebildet ist,
und der außerhalb der Schließstellung einen Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich
66 und dem Schließkörper 68 des ersten Ventilkörpers 64 freigibt.
[0029] Ferner ist in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 ein zweiter Ventilkörper 70 angeordnet,
der einen Schließkörper 74 hat, der in einer Schließstellung des zweiten Ventilkörpers
70 an einem zweiten Sitzbereich 72 der Ventilplatte 16 anliegt. Außerhalb der Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers 70 gibt der Schließkörper 68 des zweiten Ventilkörpers 70
einen Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich 72 und dem Schließkörper 74 des zweiten
Ventilkörpers 70 frei. Sowohl der Schließkörper 74 des zweiten Ventilkörpers 70 als
auch der Schließkörper 68 des ersten Ventilkörpers 64 können kegelförmig oder auch
sphärisch ausgebildet sein. Eine sphärische Form hat den Vorteil, dass eine axiale
Führung des jeweiligen Ventilkörpers in axialer Richtung kürzer ausgebildet sein kann
als im Falle der kegelförmigen Ausbildung des jeweiligen Schließkörpers 68, 74.
[0030] Der zweite Ventilkörper 70 hat eine Ausnehmung 76, die den zweiten Ventilkörper 70
vollständig durchdringt. Der erste Ventilkörper 64 hat einen Zapfen 78, der sich in
die Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 hinein erstreckt. Ferner hat der erste
Ventilkörper 64 einen Federteller 80, auf dem sich eine erste Feder 82 abstützt. Die
erste Feder 82 stützt sich andererseits auf der Zwischenplatte 18 ab und übt so, hervorgerufen
durch eine entsprechende Vorspannung der ersten Feder 82, eine Kraft in Richtung der
Schließstellung des ersten Ventilkörpers 64 auf diesen aus.
[0031] Der erste Ventilkörper 64 hat ferner einen Kontaktbereich 64, auf den der Piezo-Aktuator
4 einwirken kann, entweder direkt oder über einen Übertrager.
[0032] Der erste Ventilkörper 64 umfasst ferner einen Bund 86, der in der Schließstellung
des ersten Ventilkörpers 64 mit einem vorgegebenen Spiel, also einem vorgegebenen
Abstand, zu einer Kontaktfläche 88 des zweiten Ventilkörpers 70 angeordnet ist. Wenn
der Bund 86 in Anlage ist mit der Kontaktfläche 88 des zweiten Ventilkörpers, so ist
der zweite Ventilkörper 70 mechanisch mit dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt über den
ersten Ventilkörper 64 und kann somit seine axiale Position gesteuert durch den Piezo-Aktuator
4 verändern.
[0033] Der Zapfen 78 hat eine Eintiefung 90, die bevorzugt sehnenförmig ist. Bevorzugt hat
der Zapfen 78 eine zylinderförmige Grundform. Die Eintiefungen sind bevorzugt eingefräst.
Dies kann fertigungstechnisch sehr einfach erfolgen, wenn die mindestens eine um den
Umfang des Zapfens 78 verteilte Eintiefung 90 eine Sehnenform hat. Sie kann jedoch
eine beliebige von einer Sehne abweichende Form haben beispielsweise sektorförmig
oder eine beliebige gebogene Form haben. Alternativ oder zusätzlich kann der Zapfen
78 auch von mindestens einer Bohrung durchdrungen sein. Durch die Bohrung oder auch
die mindestens eine Eintiefung 90 ist gewährleistet, dass Fluid durch die Ausnehmung
76 des zweiten Ventilkörpers 70 hindurchströmen kann.
[0034] Der Zapfen 78 und somit der erste Ventilkörper 64 ist in der Ausnehmung 76 des zweiten
Ventilkörpers geführt. Alternativ kann der erste Ventilkörper 64 auch in dem Bereich
seines Bundes 86 in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 geführt sein.
[0035] Eine Ausnehmung 92 ist in dem Bund 86 derart ausgebildet, dass auch im Falle eines
Anliegens des Bundes 86 an der Kontaktfläche 88 des zweiten Ventilkörpers 70 Fluid
durch die Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 hindurchtreten kann und zwar
in dem freien Raum zwischen der mindestens einen Eintiefung 90 des Zapfens 78 und
der Wandung der Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers und weiter durch die Ausnehmung
92 radial nach außen. Besonders einfach kann die Ausfräsung der in der Figur 3 dargestellten
Form durch einen Fräsvorgang zusammen mit der Eintiefung 90 hergestellt werden. Bevorzugt
ist ferner eine Nut 94 vorgesehen, die sich unmittelbar an den Bund 86 in dem Zapfen
78 anschließt. Durch die Nut 94 kann einfach gewährleistet werden, dass im Falle des
Anliegens des Bundes an der Kontaktfläche 88 ein guter Kontakt zwischen dem Bund und
der Kontaktfläche erfolgt.
[0036] Der zweite Ventilkörper 70 hat einen Kragen 96, auf dem sich eine zweite Feder 98
mit ihrem einem freien axialen Ende abstützt. Die zweite Feder 98 stützt sich mit
ihrem anderen freien axialen Ende ab auf eine Auflagefläche 100 einer Dichthülse 102.
Die Auflagefläche 100 ist bevorzugt als Absatz ausgebildet. Die geeignet vorgespannte
zweite Feder 98 übt so eine Kraft auf den zweiten Ventilkörper 70 in Richtung seiner
Schließstellung aus. Andererseits übt sie auf die Dichthülse 102 eine Kraft aus, die
in Richtung einer Dichtkante 104 der Dichthülse gerichtet ist und so die Dichthülse
auf die Zwischenplatte 18 presst.
[0037] Der zweite Ventilkörper 70 ragt in die Dichthülse 102 hinein und ist bevorzugt auch
in der Dichthülse 102 geführt. Alternativ kann der zweite Ventilkörper 70 auch im
Bereich seines Kragens 96 in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 geführt sein.
[0038] Aus der dem Schnitt der Figur 3 ist es ersichtlich, dass die Führung des ersten Ventilkörpers
64, die in der Ausnehmung 76 des zweiten Ventilkörpers 70 erfolgt, axial überlappt
mit der Führung des zweiten Ventilkörpers 70, der in der Dichthülse 102 geführt ist.
Dadurch kann insgesamt die axiale Ausdehnung des Servoventils gering gehalten werden.
Die Dichthülse 102 ist in der Ausnehmung 62 der Ventilplatte geführt. In dem in der
Figur 3 dargestellten Schnitt weist die Dichthülse 102 Dichthülseneintiefungen auf,
die dazu vorgesehen sind, dass Fluid zwischen der Dichthülse und der Wandung der Ausnehmung
62 der Ventilplatte hindurchströmen kann.
[0039] Ein freier Raum innerhalb der Dichthülse 102 ist über einen ersten Kanal 112 und
eine Ablaufdrossel 108 mit dem ersten Steuerraum 48 hydraulisch gekoppelt. Der erste
Steuerraum 48 ist über eine erste Zulaufdrossel 106 hydraulisch gekoppelt mit der
Hochdruckbohrung 58. Ein freier Raum radial außerhalb der Dichthülse 102 ist mittels
eines zweiten Kanals 114 mit dem zweiten Steuerraum 50 hydraulisch gekoppelt. Der
zweite Steuerraum 50 ist über eine zweite Zulaufdrossel 110 mit der Hochdruckbohrung
58 hydraulisch gekoppelt.
[0040] Die Funktionsweise des Servoventils ist im folgenden ausgehend von einem Zustand
beschrieben, in dem sich sowohl der erste als auch der zweite Ventilkörper 64, 70
in ihrer jeweiligen Schließstellung befinden. Wird nun über den Stellantrieb, also
dem Piezo-Aktuator 4 eine zunehmende Kraft in Richtung nach unten in der Bildebene
übertragen, so bewegt sich der erste Ventilkörper 64 heraus aus seiner Schließstellung,
wenn die durch die Federkraft und den Hydraulikdruck hervorgerufenen Kräfte auf den
ersten Ventilkörper geringer sind als die durch den Piezo-Aktuator aufgebrachte Kraft.
Bewegt sich nun der erste Ventilkörper 64 heraus aus seiner Schließstellung so wird
ein Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich 66 und dem Schließkörper 68 des ersten
Ventilkörpers 64 freigegeben. Dies hat zur Folge, dass Fluid aus dem ersten Steuerraum
46 über die Ablaufdrossel 108, weiter durch den ersten Kanal 112 schließlich hin zu
dem freien Raum innerhalb der Dichthülse 102 durch diesen hindurch und ferner weiter
durch den Bereich zwischen der mindestens einen Eintiefung 90 des Zapfens 78 und anschließend
zwischen dem Bund 68 und der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 und weiter
durch den Bereich zwischen dem Schließkörper 68 des ersten Ventilkörpers 64 und der
Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte hin zu dem Leckageraum 14 strömen kann.
[0041] Mit sinkendem Druck in dem ersten Steuerraum 48 sinkt auch die Kraft, die über die
Kontaktfläche 46 der inneren Düsennadel 29 in Schließrichtung der inneren Düsennadel
29 ausgeübt wird und somit erfolgt schließlich das Bewegen der inneren Düsennadel
29 heraus aus ihrer Schließposition. Verringert sich die über den Piezo-Aktuator 4
übertragene Kraft und somit sein Hub zu einem späteren Zeitpunkt wieder, so bewegt
sich der erste Ventilkörper 64 wieder zurück in seine dichtende Anlage mit dem ersten
Sitzbereich 66. Durch das über die erste Zulaufdrossel 106 zufließende Fluid steigt
dann der Druck in dem ersten Steuerraum 48 wieder an, was letztlich wieder zu einem
Bewegen der inneren Düsennadel 29 zurück in ihre Schließposition führt.
[0042] Mit zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 wird dann das Spiel zwischen dem Bund 86
und der Kontaktfläche 88 des zweiten Ventilkörpers aufgebraucht, bis schließlich der
Bund 86 an der Kontaktfläche 88 anliegt und somit den weiteren Hub des Piezo-Aktuators
4 auf den zweiten Ventilkörper 70 überträgt. Dadurch wird dann mit weiter zunehmendem
Hub auch der zweite Ventilkörper 70 aus seiner Schließstellung heraus bewegt und ein
Bereich zwischen dem Schließkörper 74 des zweiten Ventilkörpers und dem zweiten Sitzbereich
72 freigegeben. Dies hat dann zur Folge, dass Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50
durch den zweiten Kanal 114 weiter entlang des Bereichs zwischen der Dichthülse 102
und der Wandung der Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 vorbei an dem Bereich zwischen
dem zweiten Sitzbereich 72 und dem Schließkörper 74 des zweiten Ventilkörpers 70,
weiter vorbei an dem Bereich zwischen dem Bund 86 und der Wandung der Ausnehmung 62
der Ventilplatte und ferner weiter durch den Bereich zwischen dem ersten Ventilsitzbereich
66 und dem Schließkörper 68 des ersten Ventilkörpers 64 hin zu dem Leckageraum 14
strömen kann. Dies hat dann zur Folge, dass der Druck in dem zweiten Steuerraum 50
sinkt.
[0043] Mit sinkendem Druck in dem zweiten Steuerraum 50 verringert sich auch die Kraft,
die durch den Druck des Fluids in dem zweiten Steuerraum 50 über die Kontaktfläche
54 der äußeren Düsennadel 27 auf diese in ihrer Schließrichtung eingekoppelt wird.
Dies führt dann letztendlich zu einem Bewegen der äußeren Düsennadel 27 heraus aus
ihrer Schließposition. Wird der Hub des Piezo-Aktuators 4 anschließend wieder verringert,
so bewegt sich der zweite Ventilkörper 70 wieder zurück in seine Schließstellung.
Es kann dann kein Fluid mehr aus dem zweiten Steuerraum in den Leckageraum 14 abfließen
und durch das über die zweite Zulaufdrossel 110 zufließende Fluid steigt der Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 wieder an, was schließlich zu einem Zurückbewegen der
äußeren Düsennadel 27 in ihre Schließposition führt.
[0044] Bevorzugt ist der Sitzdurchmesser des Schließkörpers 74 des zweiten Ventilkörpers
70 möglichst klein gewählt unter Berücksichtigung der geforderten Eigenschaften des
Servoventils also beispielsweise seiner mechanischen Festigkeit und seiner Standhaftigkeit
gegenüber hohen Druckbeanspruchungen. Je kleiner der Ventilsitzdurchmesser des Schließkörpers
74 des zweiten Ventilkörpers 70 ist, desto geringer sind insbesondere die Spitzenkräfte,
die durch den Piezo-Aktuator 4 aufzubringen sind, um sowohl den ersten Ventilkörper
64 als auch den zweiten Ventilkörper 70 sehr schnell aufeinanderfolgend aus ihren
jeweiligen Schließstellungen zu bringen. Im Falle eines derartigen schnellen Betätigens
der Ventilkörper 64, 70 ist für das Herausbewegen des zweiten Ventilkörpers 70 aus
seiner Schließstellung durch den Piezo-Aktuator 4 auch noch eine gegebenenfalls sehr
hohe durch das Fluid hervorgerufene Kraft aufzubringen, das sich in dem freien Raum
innerhalb der Dichthülse 102 befindet. Diese Kraft muss bei der Auslegung des Piezo-Aktuators
4 berücksichtigt werden und kann so durch geeignet geringe Dimensionierung des Sitzdurchmessers
des Schließkörpers 74 des zweiten Ventilkörpers 70 verringert werden.
[0045] In einer weiteren Ausgestaltung des Servoventils hat die Dichthülse 102 einen Federauflagebereich
116, auf dem sich die erste Feder 82 abstützt. Die erste Feder 82 drückt bei geeigneter
Vorspannung der ersten Feder 82 die Dichthülse 102 auf die Zwischenplatte 18 und übt
gleichzeitig wie auch in dem ersten Ausführungsbeispiel eine in Richtung der Schließstellung
gerichtete Kraft auf den ersten Ventilkörper 64 aus. Bei dieser Ausführungsform kann
sich die zweite Feder 98 auch beispielsweise auf der Zwischenplatte 18 abstützen und
somit kann dann die Auflagefläche 100 der Dichthülse entfallen, was jedoch nicht notwendigerweise
der Fall sein muss.
[0046] Das Servoventil kann auch in einer anderen Vorrichtung als dem Einspritzventil angeordnet
sein oder für das dortige Anordnen vorgesehen sein.
1. Servoventil
- mit einem Ventilgehäuse, in dem eine Ausnehmung (62) ausgebildet ist,
- mit einem ersten Ventilkörper (64), der in der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses
angeordnet ist, sich in eine Ausnehmung (76) eines zweiten Ventilkörpers (70) hinein
erstreckt und einen Schließkörper (68) hat, der in einer Schließstellung des ersten
Ventilkörpers (64) dichtend an einem ersten Sitzbereich (66) anliegt, der in der Wandung
der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses ausgebildet ist, und der außerhalb der Schließstellung
einen Bereich zwischen dem ersten Sitzbereich (66) und dem Schließkörper (68) des
ersten Ventilkörpers (64) freigibt, wobei der erste Ventilkörper (64) so ausgebildet
ist, dass Fluid durch die Ausnehmung (76) des zweiten Ventilkörpers (70) hin zu dem
ersten Sitzbereich (66) strömen kann,
- mit dem zweiten Ventilkörper (70), der in der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses
angeordnet ist und der einen Schließkörper (74) hat, der in einer Schließstellung
des zweiten Ventilkörpers (70) dichtend an einem zweiten Sitzbereich (72) anliegt,
der in der Wandung der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses ausgebildet ist und der
außerhalb der Schließstellung einen Bereich zwischen dem zweiten Sitzbereich (72)
und dem Schließkörper (68) freigibt,
- mit einer Dichthülse (102), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der
Schließstellung des zweiten Ventilkörpers (64) einen freien Raum, der durch sie umschlossen
wird und der mit der Ausnehmung des zweiten Ventilkörpers (70) hydraulisch gekoppelt
ist, von einem Bereich der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses außerhalb ihres radialen
Umfangs hydraulisch entkoppelt.
2. Servoventil nach Anspruch 1,
bei dem die Dichthülse (102) in der Ausnehmung (62) des Ventilgehäuses geführt ist
und der zweite Ventilkörper (70) in der Dichthülse (102) geführt ist.
3. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem der erste Ventilkörper (64) in der Ausnehmung (76) des zweiten Ventilkörpers
(70) geführt ist.
4. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem sich eine Feder (98) einerseits auf einem Kragen (96) des zweiten Ventilkörpers
(70) und andererseits auf eine Auflagefläche (100) der Dichthülse (102) abstützt und
so einerseits auf den zweiten Ventilkörper (70) eine Kraft in Richtung seiner Schließstellung
ausübt und andererseits auf die Dichthülse (102) eine Kraft ausübt, die in Richtung
einer Dichtkante (104) der Dichthülse (102) gerichtet ist.
5. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem der erste und zweite Ventilkörper (64, 70) so ausgebildet und zueinander angeordnet
sind, dass der zweite Ventilkörper (70) mittels des ersten Ventilkörpers (64) aus
seiner Schließstellung bewegbar ist.
6. Servoventil nach Anspruch 5,
bei dem der erste Ventilkörper (64) einen Bund (86) hat, der in der Schließstellung
des ersten Ventilkörpers (64) mit einem vorgegebenen Spiel beabstandet ist zu einer
Kontaktfläche (88) des zweiten Ventilkörpers (70).
7. Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem eine weitere Feder (82) vorgesehen ist, die sich einerseits auf einem Federteller
(80) des ersten Ventilkörpers (64) und andererseits auf einem Federauflagebereich
(116) der Dichthülse (102) abstützt und so einerseits auf den zweiten Ventilkörper
(70) eine Kraft in Richtung seiner Schließstellung ausübt und andererseits auf die
Dichthülse (102) eine Kraft ausübt, die in Richtung der Dichtkante (104) gerichtet
ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem der erste Ventilkörper (64) einen Zapfen (78) hat, der sich in die Ausnehmung
(76) des zweiten Ventilkörpers (70) erstreckt und entlang seines Umfangs mit mindestens
einer Eintiefung (90) versehen ist.
9. Einspritzventil mit
- einem Körper, der eine Ausnehmung hat,
- einer äußeren Düsennadel (27), die in der ersten Ausnehmung angeordnet ist, die
eine Ausnehmung (28) hat, und die in einer Schließposition einem Fluidfluss durch
ein erstes Einspritzloch (34) unterbindet und diesen ansonsten freigibt,
- einer inneren Düsennadel (29), die in der Ausnehmung (28) der äußeren Düsennadel
(27) angeordnet ist und die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch ein zweites
Einspritzloch (36) unterbindet und diesen ansonsten freigibt,
- einem Servoventil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- wobei das Servoventil, der Körper und die innere und die äußere Düsennadel (29,
27) so ausgebildet sind, dass abhängig von der Stellung des ersten Ventilkörpers die
Position der inneren Düsennadel und dass abhängig von der Stellung des zweiten Ventilkörpers
die Position der äußeren Düsennadel (27) einstellbar ist.